DE3543363A1

DE3543363A1 - Vorrichtung zur messung von lichtstreuung

Info

Publication number: DE3543363A1
Application number: DE19853543363
Authority: DE
Inventors: Ken Yokohama Kanagawa Eguchi; Haruki Kawasaki Kanagawa Kawada; Takashi Tokio/Tokyo Nakagiri; Yukuo Sagamihara Kanagawa Nishimura; Kenji Tokio/Tokyo Saito; Yoshinori Yokohama Kanagawa Tomida
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1984-12-10
Filing date: 1985-12-07
Publication date: 1986-06-12
Also published as: US4682897A

Description

Vorrichtung zur Messung von Lichtstreuung

Gebiet der Erfindung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die die Lichtstreuung benutzt, um physikalische Eigenschaften der Oberfläche und das Innere eines Objekts zu analysieren, und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Umwandeln der Lichtstreuung von diesem Objekt in eine molekulare Schwingungsenergie oder Wärmeenergie, und auf das Messen derselben.

Beschreibung des Standes der Technik; Es ist bekannt, in einer Vorrichtung, die Lichtstreuung benutzt, um die physikalischen Eigenschaften der Fläche und das Innere des Objekts zu analysieren, wie in Fig.3 der beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, ein Licht 2 bei einem zu prüfenden Objekt anzuwenden. Das zerstreute Licht

¹S 3 wurde durch eine Linse 4 geführt, die einen großen Öffnungswinkel aufweist, und wurde weiter zu einer lichtempfindlichen Fläche eines Lichtanzeigegerätes (beispielsweise eines Lichtverstärkers oder einer p-i-n-Fotodiode) gerichtet durch eine Integrationskugel 5, um den Einfluß der Lichtstärkeverteilung zu verringern. Wenn jedoch in diesem Fall der Winkel der Streuung größer als der Öffnungswinkel ist, kann die außen befindliche Streuungskomponente nicht in die Linse eintreten, und damit ist eine Messung unmöglich. Um die außenliegende Streuungskomponente aufzufangen, wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem eine zerstreuende Fläche einer Übertragungsart nahe dem zu prüfenden Objekt und das Lichtanzeigegerät dahinter angeordnet ist. Dieses Verfahren scheiterte aber an Problemen z.B. hinsichtlich der Charakteristik der Streuungsplatte und der Art und Weise, in der das Licht-

anzeigegerät installiert wurde, so daß die Messung mit hoher Genauigkeit und hoher Empfindlichkeit schwierig wurde.

Im Hinblick auf die obengenannten Nachteile beabsichtigt die vorliegende Erfindung, die Probleme zu lösen, die auftreten bei einer wirksamen Messung mit hoher Genauigkeit und hoher Empfindlichkeit einschließlich der Messung der Lichtstreuungskomponente eines großen Streuungswinkels,der schwierig zu messen ist, durch eine Lichtstreuungsmeßvorrichtung herkömmlicher Art.

Das heißt, die vorliegende Erfindung ist eine Lichtstreuungsmeßvorrichtung, die mit einer Lichtzuführeinrichtung versehen ist zum Zuführen eines intermittierenden Lichts zu einem zu prüfenden Objekt, wobei ein lichtempfindliches Medium für die Absorption des gestreuten Lichts, das intermittierend von der Fläche des Objekts ausgesandt wird, vorgesehen ist, Dabei ist das zugeführte Licht in Entsprechung mit den physikalischen Eigenschaften des erwähnten, zu prüfenden Objektes, und die Lichtstreuung wird in molekulare Schwingungsenergie umgewandelt. Eine Energiesignalanzeigeeinrichtung zum Anzeigen eines pulsierenden Energiesignals, das vom erwähnten Medium erzeugt wird,und eine Molekularschwingungsmeßeinrichtung sind vorgesehen zur gleichzeitigen frequenzmäßigen Anzeige des Energiesignals durch ein Bezugssignal von der Lichtzuführeinrichtung.

Weiterhin sieht die vorliegende Erfindung eine Lichtstreuungsmeßeinrichtung vor mit einer Lichtzuführeinrichtung, um ein intermittierendes Licht zu dem zu prüfenden Objekt zu führen, mit einem Lichtwärmeumwandlungsmedium für die Absorbierung der Lichtstreuung, die intermittierend von der Fläche des Objekts ausgesandt wird durch zugeführtes Licht in Abstimmung mit den physikalischen Eigenschaften des zu prüfenden Objekts, wobei das gestreute Licht in Wärmeenergie umgewandelt wird, mit einer Anzeigeeinrichtung für elastische Wellen zum Anzeigen einer elastischen Welle, die durch die Wärmeenergie erzeugt wird, wie ein elektrisches Signal durch

piezoelektrische Umwandlung und durch eine Wärmeänderungsmeßeinrichtung für die Messung des Betrags der Wärmeenergie von dem elektrischen Signal.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Prinzips des lichtakustischen Effekts;

Fig. -3 eine Vorrichtung nach dem Stand der

Technik;
Fig. 4, 7, 9, 12 und 15 Ausführungsformen der

erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 5, 6, 8, 10, 11_f 13, 16, 17 und 19 bis 23

eine Längsschnittansicht der Energiesignalanzeigeeinrichtung in den entsprechenden Ausführungsformen;

Fig. 14 die Konstruktion einer Einrichtung zur Anzeige der Licht-Wärme-Ablenkung; und

Fig. 18 eine graphische Darstellung der Absorptionscharakteristik einer absorbierenden Substanz.

Fig. 1 zeigt die Grundkonstruktion einer Lichtstreuungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wenn in Fig. 1 ein intermittierendes Licht 2 zu einem zu prüfenden Objekt 1 zugeführt wird, so wird gestreutes Licht 3 durch das Licht in dem zu prüfenden Objekt intermittierend von der Fläche des zu prüfenden Objekts unter verschiedenen Austrittswinkeln ausgesandt. Ein lichtempfindliches Medium 7 ist aus einer lichtabsorbierenden Substanz ausgebildet, und die zugeführte Lichtenergie wird absorbiert und erzeugt ein intermittierendes Molekularschwingungsenergiesignal 8, das zu einer Energiesignalanzeigeeinrichtung 9 geführt wird. Für irgendeinen Einfallwinkel wird das Lichtsignal in ein Molekularschwingungsenergiesignal umgewandelt, und durch eine

geeignete Einstellung der Größe und Lage des lichtempfindlichen Mediums 7 kann das Lichtsignal leicht angezeigt werden auch in dem Fall, daß der Streuungswinkel groß ist.

Eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher werden als Einrichtung zur Zuführung von intermittierendem Licht benutzt, und eine lichtabsorbierende Substanz mit einer großen Absorptionscharakteristik für die Wellenlänge des zu messenden, gestreuten Lichtes und einer guten thermischen Leitfähigkeit wird bevorzugt als Material des lichtempfindlichen Mediums, und wenn Gebrauch gemacht wird von Kohlenstoff und einer Mischung, die hauptsächlich aus Kohlenstoff besteht, kann ein weiter Wellenlängenbereich abgedeckt werden. Durch die Vormessung der Absorptionscharakteristiken für jede Wellenlänge der lichtabsorbierenden Substanz kann eine Korrektur des Ausgangssignals bewirkt werden, und Unregelmäßigkeiten in der Empfindlichkeit für jede Wellenlänge können korrigiert werden. Betrachtet man Oberflächengestalt der lichtabsorbierenden Substanz, die Konkavität-Konvexität, die Wölbung, wird etwas größer als die Wellenlänge des gestreuten Lichtes ausgebildet, um dadurch das gesamte Diffusionsvermögen zu verbessern, und somit kann nicht nur der Einfluß des Streuungswinkels eliminiert werden, sondern auch das Absorptionsvermögen kann günstiger gestaltet werden. Die Energiesignalanzeigeeinrichtung kann eine sein, die korrespondiert mit dem Molekularschwingungsenergiesignal , das in dem Medium erzeugt wird. Zum Beispiel wird ein Mikrophon oder ähnliches für Schallwellen benutzt, und ein thermoelektrisches Element findet für Wärme Anwendung. Ein Sperrverstärker wird benutzt als Molekularschwingungsmeßeinrichtung.

Das zu prüfende Objekt ist nicht beschränkt auf einen festen Körper, sondern kann auch flüssig sein, und durch Zuführung von durchstrahlendem Licht zur Fläche der Flüssigkeit ist es ebenfalls möglich, bei dem sich ausbildenden monomolekularen Film auf der Oberfläche

8 3543353 der Flüssigkeit, d.h. eines sogenannten LB-Films (Langmuir-Blodgett-Film),oder es ist verwendbar bei der Auswertung der feinen Partikel in der Flüssigkeit nahe der Adsorptionsmolekülgrenzschicht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wurde festgestellt, daß die Energiesignalanzeigeeinrichtung eine solche sein kann, die dem Molekularschwingungsenergiesignal entspricht, das in dem Medium erzeugt wird, aber die Form des Molekularschwingungsenergiesignals wird verändert infolge des lichtakustischen Effekts.

Fig. 2 zeigt das Grundprinzip des lichtakustischen Effekts. Nach Fig. 2 umfaßt der optischakustische Effekt vier Vorgänge, und es ist ein Zustand zu sehen, in dem die Energie durch die Substanz ausgebreitet ist durch das von der Substanz absorbierte Licht. Der Vorgang A zeigt den Prozeß, in dem der intermittierende, modulierte, einfallende Lichtstrahl 3 auftrifft und durch die absorbierende Substanz absorbiert wird. Der Vorgang B zeigt den Prozeß,in welchem diese Energie in intermittierte Wärme durch einen nichtstrahlenden Entspannungsprozeß überführt wird und als Wärmewelle durch die Substanz sich ausbreitet. Der Vorgang C zeigt den Fall, bei dem die Wärmewelle die Oberfläche der Substanz erreicht und das Gas, das in Berührung mit der Substanz ist, intermittierend aufheizt und eine Schallwelle erzeugt. Der Vorgang D zeigt den Fall, bei dem die Wärmewelle, die sich durch die Substanz ausgebreitet hat, in eine elastische Welle umgewandelt wird und sich durch die Probe M ausbreitet. Die vorliegende Erfindung wählt eine bestimmte Form der Molekularschwingungsenergie aus von dem Zustand eines der obenbeschriebenen Vorgänge und bringt ein erforderliches Signal zur Anzeige durch eine Energiesignalanzeigeeinrichtung und kann ein solches Signal anzeigen mit einer hohen Empfindlichkeit durch Benutzung der licht-akustischen Mittel, die ein Phänomen darstellen, das eine akustische Reaktion zeigt, eine Oberflächentemperaturverteilung usw.

Bei der Streuung, die der Gegenstand der Analyse durch die vorliegende Erfindung ist, gibt es sogenannte elastische Streuungen, in denen das gestreute Licht nicht begleitet wird durch eine Wellenlängenverschiebung und nichtelastische Streuungen, wie die Raman- oder Brillouin-Streuung, in der das gestreute Licht mit einer Wellenlängenverschiebung auftritt. Die Auswertung benutzt beide Phänomene, das elastisch gestreute Licht und das nichtelastisch gestreute Licht, wobei z.B. ein Verfahren ge- nannt werden soll, bei dem das Licht auf einen vorbestimmten Durchmesser abgestoppt wird und zu einem durchsichtigen Kristallteil zugeführt wird,und alles gestreute Licht davon wird als Informationsquelle benutzt. In diesem Fall umfaßt die Lichtstreuung das Licht aller Wellenlängenkomponenten, und das Verfahren ist einfach und bequem

als Methode der Auffindung der Änderung des Brechungsindex in der Fläche und im Inneren des zu prüfenden Objekts und des Vorhandenseins feiner Partikel durchzuführen. Wenn bei der Betrachtung der Analyse durch nichtelastische Streuung eine Raman-Streuung (oder ein Raman-Laserspektrum), erzeugt durch die Verwendung von monochromatischem Licht, wie es z.B. durch Laserlicht dargestellt wird, analysiert wird, so ist es möglich, eine molekulare Strukturinformation in einem sehr kleinen Teil des Inneren des zu prüfenden Objekts zu erzielen. Zum Beispiel durch die Anwendung der Auswertung einer Übergangsphase durch die Veränderung in der Frequenz des gestreuten Lichts, die einer Veränderung in der Schwingung des Gitters beizumessen ist, insbesondere durch Veränderung der Temperatur des zu prüfenden Objekts, und durch Anwendung der Auswertungsmethode nach der vorliegenden Erfindung können verschiedene Arten von Informationen in Bezug auf lokale Veränderungen in dem Phasenübergang erzielt werden.

Weiterhin werden bei der Auswertung, die die Brillouin-Streuung benutzt, das gestreute Licht, das von einer Wellenlängenverschiebung begleitet ist, die durch eine Wechselwirkung zwischen dem Phonon in dem zu

prüfenden Objekt bewirkt wird, und das zugeführte Licht als Informationsquelle benutzt, und wenn daher dieses spektroskopisch analysiert wird, ist es z.B. wirkungsvoll für die Analyse des Phasenübergangs einer Kristallprobe und die Analyse des Glasübergangs einer hochmolekularen Substanz.

Die Erfindung soll nachstehend im einzelnen unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen beschrieben werden, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform einer Streulichtmeßeinrichtung , in der die vorliegende Erfindung verkörpert ist. In dieser Ausführungsform ist das Energiesignal eine Schallwelle, die durch den erwähnten Vorgang C erzeugt wird, und die Energiesignalanzeigeeinrichtung ist ein Mikrophon. In Fig. 4 finden eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher oder Zerhacker 10 als Lichtzuführeinrichtung Anwendung, die die Lichtstreuungsmeßeinrichtung begründen, und das lichtempfindliche Medium ist die lichtempfindliche Fläche 7

einer Mikrophonzelle 11, und die Energiesignalanzeige- j

einrichtung ist das Mikrophon 12. Ein zugeführter Licht- j

strahl 2 wird durch den Unterbrecher 10 unterbrochen und auf ein zu untersuchendes Objekt 1 über eine Linse 13

gerichtet. Das davon gestreute Licht 3 wird durch die j

lichtempfindliche Fläche 7 der Mikrophonzelle 11 absorbiert und heizt intermittierend das Gas 14 in einer hermetisch abgedichteten Mikrophonzelle 11 auf und erzeugt j dadurch eine Schallwelle. Diese Schallwelle wird von dem Mikrophon 12 angezeigt, das an der Mikrophonzelle 11 an-

gebracht ist, und das Signal vom Mikrophon 12 wird in j

einen Überlagerungsverstärker 15 zugeführt, der eine Mole- ; kularschwingungsmeßeinrichtung darstellt und frequenzgleichlaufend anzeigt auf der Basis eines Referenzsignals _; vom Unterbrecher 10, der den Meßlichtstrahl 2 unterbricht, j _und das Ergebnis wird zu einer Anzeigeeinrichtung ausge- j

bracht, wie Aufschreiber, Bildschreiber oder Registrier- j

einrichtung. Es wird von der Theorie bestätigt, daß die Intensität des so aufgezeigten licht-akustischen Signals

proportional zur Intensität des gestreuten Lichts sich verhält, das zur lichtabsorbierenden Substanz zugeführt wird. Demgemäß kann die Intensität des Streulichts quantitativ gemessen werden.

Die Messungen können mehr stabilisiert werden, wenn die Intensität des einfallenden Lichtes überwacht wird und die Schwankung der Intensität des zugeführten Lichts ausgeschaltet wird. Auch die Lichtstreuungsverteilung kann gemessen werden, indem die Lage verändert wird, in der das Licht zu dem zu untersuchenden Objekt zugeführt wird. Die Zuführung des Lichts zu dem zu untersuchenden Objekt kann nicht nur in der in Fig. 4 dargestellten Richtung erfolgen, sondern auch in einer jeden anderen Richtung.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Ausführungsformen der lichtempfindlichen Einrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können. In Fig. 5 ist das Teil der hermetisch abgedichteten Mikrophonzelle 11, die dem einfallenden Lichtstrahl ausgesetzt ist, mit einer Trennwand 17 ausgebildet, aus einer Substanz, die Licht nicht absorbiert, und besitzt eine schallabhaltende Wirkung, und die lichtabsorbierende Substanz 7 ist auf der Innenseite der Trennwand 17 angeordnet. In Fig. 6 ist eine lichtabsorbierende Substanz 7 auf der Lichteinfallseite einer Wand 17 angeordnet und aus einer Substanz gebildet, die eine große thermische Diffusionslänge μ aufweist, und die Trennwand 17 überträgt die durch die lichtabsorbierende Substanz 7 erzeugte Wärme, um dadurch intermittierend das Gas in der Zelle aufzuheizen. Die Dicke dieser Trennwände kann vorzugsweise die thermische Diffusionslänge μ oder weniger sein.

Die thermische Diffusionslänge μ ist gegeben durch das thermische Diffusionsvermögen bzw. die Temperaturlei t zahl α [cm² /s] und die Unterbrechungsfrequenz f [Hz] der Substanz und wirkt als

μ = (a/Kf)^V2[cm] ,

und wenn daher Silber (α = 1,7) benutzt wird und eine Frequenz von f = 50 Hz, so ist dann μ = 1 [mm].

Fig. 7 zeigt ein anderes Beispiel der Ausführung einer Lichtstreuungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das Energiesignal eine elastische Welle, die durch den erwähnten Vorgang D erzeugt wird, und die Einrichtung zur Anzeige des Energiesignals ist eine piezoelektrische Anzeigeeinrichtung. Wie Fig. 4 zeigt, werden eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher 10 als eine Lichtzuführeinrichtung benutzt , die die Lichtstreuungsmeßeinrichtung ausmachen, und das lichtempfindliche Medium ist aus einer licht absorbierenden Substanz 7 hergestellt. Zur Energiesignalanzeige dient ein piezoelektrisches Element 8. Ein zugeführter Lichtstrahl 2 wird durch den Unterbrecher 10 unterbrochen und zu einem Objekt 1, das zu prüfen ist, durch eine Linse 13 gerichtet, und das davon gestreute Licht 3 wird durch die lichtabsorbierende Substanz 7 absorbiert und kommt in intermittierende molekulare Schwinkung und wird in elastische Energie umgewandelt, während sie zu dem piezoelektrischen Element 18 überführt wird und durch das piezoelektrische Element 18 angezeigt wird. Das Signal von diesem piezoelektrischen Element 18 wird zu einem Überlagerungsverstärker 15 zugeführt und schwingungsgleichlaufend angezeigt auf der Basis eines Bezugssignals von dem Unterbrecher 10, der den Meßstrahl 2 unterbricht, und das Ergebnis wird zu einem Registriergerät 16 ausgebracht. Es wird von der Theorie bestätigt, daß die Intensität des so aufgezeigten piezoelektrischen Signals proportional der Intensität des gestreuten Lichtes ist, das zur lichtabsorbierenden Substanz gelangt. Demgemäß kann die Intensität des gestreuten Lichtes quantitativ gemessen werden.

Fig. 8 zeigt die Ausführungsform einer Energie-Signalmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Nach Fig. 8 kommt das durch die Lichtabsorbierungssubstanz 7 absorbierte Licht in eine unterbrochene, molekulare Schwingung, und diese wird umgewandelt in eine elastische Energie, die durch das piezoelektrische Element 18 aufgezeigt wird. Um zu ermöglichen, daß sich die Energie

gleichmäßig ausbreitet, ist eine Rückplatte 19 zwischen der lichtabsorbierenden Substanz 7 und dem piezoelektrischen Element 18 eingesetzt. Auch wenn diese Rückplatte 19 und die lichtabsorbierende Substanz 7 aus einem Stück hergestellt sind und das piezoelektrische Element 18 entfernbar ausgebildet ist, so ist die Einrichtung zweckdienlich im wirkungsvollen Messen durch eine Lichtabsorbierungssubstanz von unterschiedlicher Charakteristik.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Messung von gestreutem Licht gemäß der vorliegenden Erfindung. Mit.dieser Ausführungsform wird das Energiesignal gemessen durch direkte Anzeige der Veränderung der Temperatur der Fläche der lichtabsorbierenden Fläche, erzeugt durch den obenerwähnten Vorgang B, durch Benutzung eines thermoelektrischen Elements. Nach Fig. 9 werden eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher 10 als Lichtzuführungseinrichtung benutzt, die die Streulichtmeßeinrichtung mitbilden, wobei ein fotosensitives Medium aus einer lichtabsorbierenden Substanz 7 gebildet ist und die Energiesignalanzeigeeinrichtung 20 ein Thermoelement umfaßt. Ein zugeführter Lichtstrahl 2 wird durch einen Unterbrecher 10 unterbrochen und zu einem zu prüfenden Objekt 1 durch eine Linse 30 gerichtet, und das davon zerstreute Licht wird durch die lichtabsorbierende Substanz 7 absorbiert und wird zu intermittierender Wärme, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird durch die Energiesignalanzeigeeinrichtung 20, die ein Thermoelement umfaßt. Das Signal von dieser Energiesignalanzeigeeinrichtung 20 wird zu einem Überlagerungsverstärker 15 zugeführt, der frequenz-gleichlaufend anzeigt auf der Basis eines Bezugssignals von dem Unterbrecher 10 , der den Meßlichtstrahl 2 unterbricht, und das Ergebnis wird zu einem Registriergerät 16 ausgebracht. Es wird von der Theorie bestätigt, daß die Intensität des so aufgezeigten thermoelektrischen Signals proportional zur Intensität des gestreuten Lichtes ist, das zur lichtabsorbierenden Substanz zugeführt wird. Demgemäß kann die Intensität des gestreuten Lichts quantitativ gemessen werden.

Fig. 10 und 11 zeigen Ausführungsbeispiele einer Energiesignalanzeigeeinrichtung gemäß der Erfindung. In Fig. 10 ist eine Einrichtung dargestellt, in der die durch die lichtabsorbierende Substanz 7 erzeugte Wärme durch ein Thermoelement 23a angezeigt wird mit Hilfe eines Wärmeleiters 21, während auf der anderen Seite die Temperatur in einem Wärmeleiter 22 zur Bezugnahme angezeigt wird durch ein anderes Thermoelement 23b und ein Signal, das die Differenz zwischen den beiden kennzeichnet, wird durch ein Sxgnalanzeigebearbeitungsteil 24 gefunden, und dieses Signal wird zu einem Überlagerungsverstärker 15 zugeführt. In Fig. 11 sind die Thermoelemente an vorbestimmten Stellen auf der lichtabsorbierenden Substanz 7 angeordnet, um so zu ermöglichen, daß die Wärmeverteilung zu einer Zeit gemessen werden kann und die Intensitätsverteilung entsprechend zu jedem Winkel der Lichtintensitätsverteilung des gestreuten Lichtes gefunden werden kann.

Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform einer Lichtstreuungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird ein Energiesignal angezeigt durch das Aufzeigen als die Ablenkung des Lichtstrahles die Veränderung im Brechungsindex in der Nähe der Oberfläche erzeugt, verursacht durch die Strahlungswärmewelle von der lichtabsorbierenden Substanz im Zustand des obengenannten Vorganges B. In Fig.12 wird eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher 10 benutzt zur Lichtzuführung für eine Lichtstreuungsmeßeinrichtung. Das fotosensitive Medium ist aus einer lichtabsorbierenden Substanz 7 gebildet, und zur Energiesignalanzeige dient eine Einrichtung 25 zur Anzeige der Licht-Wärme -Ablenkung. Ein zugeführter Lichtstrahl 2 , der durch einen Unterbrecher 10 unterbrochen wird, ist zu einem Objekt, das zu prüfen ist, durch eine Linse 13 geführt, und das davon gestreute Licht 3 wird durch eine lichtabsorbierende Substanz 7 absorbiert und zu intermittierenden Wärmestrahlen und verändert den Brechungsindex der Umgebung der Fläche der lichtabsorbierenden Substanz und lenkt die Richtung des Durchgangs des Lichtes in diesem

Bereich ab und wird umgewandelt in ein elektrisches Signal durch eine Licht-Wärme-Ablenkung-Anzeigeeinrichtung 25. Das elektrische Signal von dieser Licht-Wärme-Ablenkung-Änzeigeeinrichtung 25 wird zu einem Überlagerungs-Verstärker 15 zugeführt und frequenzgleichlaufend angezeigt auf der Basis des Bezugssignals vom Unterbrecher 10 , der den Meßlichtstrahl 2 unterbricht,und das Ergebnis wird in ein Aufzeichnungsgerät 16 eingegeben. Die Intensi-tät des somit aufgezeigten Licht-Wärme-Ablenkungs-Signals steigt an mit einer Vergrößerung der Intensität des gestreuten Lichts, das zur lichtabsorbierenden Substanz zugeführt wird, und diese Beziehung wird ebenfalls von der Theorie bestätigt. Demgemäß kann die Intensität des gestreuten Lichtes quantitativ gemessen werden. Fig ^ 13 zeigt ein Beispiel einer Ausführungsform einer Licht-Wärme-Ablenkungsanzeigeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In Fig. 13 wird das gestreute Licht durch eine transparente, flache Platte 26 zugeführt, wird von der lichtabsorbierenden Substanz 7, die sich auf der Oberfläche der flachen Platte 26 befindet, absorbiert und erzeugt eine intermittierende Wärme. Der Brechungsindex der Umgebung der Oberfläche der lichtabsorbierenden Substanz wird durch diese Wärme verändert,und der Untersuchungslichtstrahl 27, der durch diesen Bereich geht, verändert intermittierend seine Richtung. Dieser Untersuchungslichtstrahl 27 kann vorzugsweise ein Laserstrahl oder ähnliches sein, der sich in einer guten Ausrichtung befindet und einen geringen Strahldurchmesser aufweist , und nach Fig. 13 ist er so angeordnet, daß er von einer Lichtquelle 28 ausgesandt wird, durch einen Spiegel 29 gebeugt wird und durch die Umgebung der lichtabsobierenden Substanz läuft. Die Lageabweichung, die durch die Ablenkung dieses Untersuchungslichtstrahls 27 verursacht wird, zeigt ein Lagefühler 30 auf unter Umwandlung in ein elektrisches Signal und führt dieses in einen Überlagerungsverstärker 15, wodurch die Intensität des gestreuten Lichtes gemessen wird. Fig. 14 zeigt ein anderes Beispiel einer Ausführungsform einer Licht-Wärme-Ablenkungsanzeige-

einrichtung. Nach Fig. 14 wird der Untersuchungslichtstrahl 27 veranlaßt, über die Fläche der lichtabsorbierenden Substanz 7 in der Form einer Matrix zu verlaufen , und die Beträge der Ablenkung an entsprechenden Stellungen werden aufgezeigt durch einen entsprechenden Lagefühler 30 und die Temperaturverteilung auf der Oberfläche der lichtabsorbierenden Substanz, d.h. die Verteilung der Lichtintensität des gestreuten Lichtes, kann so erzielt werden. Der Untersuchungslichtstrahl 27 kann abgetastet werden durch die Benutzung eines verschwenkbaren Spiegels oder alternativ kann er zu einer Zeit gemessen werden durch Einstellung gesonderter Lichtquellen in entsprechenden Stellungen. Indem der Bereich, in dem der Lichtstrahl abgelenkt wird, mit einer Substanz ausgefüllt wird, die eine große Abweichung im Brechungsindex für eine geringe Abweichung in der Temperatur aufweist, wobei die Bahn der Bewegung des Lichtstrahls stark verändert werden kann, macht es somit möglich, daß eine Messung mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden kann. Fig. 15 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtstreuungsmeßeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform wird das Energiesignal angezeigt durch das Erfassen der Strahlungswärmewelle, die durch die Veränderung in der Temperatur der lichtabsorbierenden Fläche verursacht wird, erzeugt in dem Stand des Vorgangs B, durch eine Licht-Wärme-Strahlungs-Anzeigeeinrichtung , beispielsweise eines Infrarotstrahlendetektors. Nach Fig. 15 werden eine herkömmliche Lichtquelle und ein Unterbrecher zur Lichtzuführung benutzt für eine■Lichtstreuungsmeßvorrichtung, wobei ein fotosensitives Medium auf einer üchtabsorbierenden Substanz 7 gebildet ist und ein Infrarotstrahlendetektor als Energiesignalanzeigeeinrichtung benutzt wird. Ein zugeführter Lichtstrahl 2 wird durch einen Unterbrecher 10 unterbrochen und zu einem Objekt 1, das zu prüfen ist, durch eine Linse 13 gerichtet, und das davon zerstreute Licht 3 wird absorbiert durch die lichtabsorbierende Substanz 7 und wird zu einer intermittierenden Wärme-

Strahlung und wird umgewandelt in ein elektrisches Signal durch einen Infrarotstrahlungsdetektor. Das elektrische Signal von diesem Infrarotstrahlungsdetektor wird zu einem iiberlagerungsverstärker 15 geführt und frequenzgleichlaufend aufgezeigt auf der Basis eines Bezugssignals vom Unterbrecher 10 , der den Meßlichtstrahl 2 unterbricht,und das Ergebnis wird zu einem Aufzeichnungsgerät 16 ausgebracht. Die Intensität des somit aufgezeigten Warmestrahlungssignal steigt an mit der Vergrößerung der Intensität des gestreuten Lichtes, das zur lichtabsorbierenden Substanz zugeführt wird, und diese Beziehung findet in der Theorie ihre Bestätigung. Demgemäß kann die Intensität des gestreuten Lichtes quantitativ gemessen werden.

Die Fig. 16 zeigt das Beispiel einer Energie-Signalanzeigeeinrichtung in der oben beschriebenen Ausführungsform. In Fig. 16 wird das gestreute Licht durch eine lichtabsorbierende Substanz 7 absorbiert und erzeugt eine intermittierende Wärme und erwärmt intermittierend die gesamte Rückplatte 32, die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Aufgrund ihrer Beheizung geht von der Fläche der Rückplatte eine Strahlungswärmewelle intermittierend aus entsprechend zu den Temperaturänderungen. Das wird wahrgenommen am Eingangsfenster eines Infrarotstrahlendetektors 34 durch eine Linse 33, die aus einem Material gebildet ist, das die Strahlung der Infrarotstrahlen überträgt, so daß diese durch den Detektor 34 aufgezeigt werden.

Nach Fig. 17 wird das gestreute Licht durch eine transparente, flache Platte 26 übermittelt und absorbiert, durch die lichtabsorbierende Substanz 7, die sich auf der Fläche der flachen Platte befindet und die Wärmestrahlung, die von der Fläche der lichtabsorbierenden Substanz ausgeht, wird gemessen, indem sie durch die Linse 33 zu einem Detektor 34 gelangt, der den Strahl abtastet als eine Einheit längs der Fläche der lichtabsorbierenden Substanz, wie durch die beiden Pfeile 35 aufgezeigt ist, wobei eine Information entsprechend der Lichtintensitätsverteilung des gestreuten Lichtes erzielt werden kann.

Fig. 18 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, daß die Lichtabsorptionsraten durch die Wellenlängen von Substanz zu Substanz differieren. Wenn eine unterschiedliche Wellenlängen-Charakteristik, wie in Fig. 18 gezeigt, benutzt wird als Wellenlängen-Charakteristik der lichtabsorbierenden Substanz 7, dargestellt als Grundausführung in Fig. 1 , so können die Intensitäten des gestreuten Lichts der verschiedenen Wellenlängen gemessen werden, und somit wird eine Messung von nichtelastischen Streuungen möglich.

Fig. 19 zeigt eine Einrichtungen der ein Filter in der Bahn des gestreuten Lichtes zwischen einem zu prüfenden Objekt und einem lichtempfindlichen Medium angeordnet ist. Wie Fig. 19 zeigt, ist ein Filter 36 auf der Seite der lichtabsorbierenden Substanz 7 angeordnet, auf der das gestreute Licht absorbiert wird, und eine gleichartige Messung wird möglich, auch wenn der Meßwellenlängenbereich des gestreuten Lichtes kontrolliert wird. Wenn ein polarisierendes Filter als Filter 36 benutzt wird, so wird es auch möglich, eine Solarisationscharakteristik des gestreuten Lichtes zu erzielen.

Fig. 20 zeigt ein Beispiel, in dem eine reflektierende Platte 37 auf der lichtabsorbierenden Rückseite der lichtabsorbierenden Substanz 7. angeordnet ist, um dadurch die wirksame Dicke der absorbierenden Schicht um die Hälfte zu reduzxeren, wodurch eine Messung von Lichtstreuung mit einer höheren Empfindlichkeit und einer höheren Genauigkeit ermöglicht wird.

Fig. 21 zeigt ein Beispiel, in dem die iichtabsorbierende Substanz aus einer Vielschichtstruktur besteht und die Substanzen 7a bis 7c unterschiedliche Spektralabsorptionscharakteristiken aufweisen und in ent-s sprechenden Schichten angeordnet sind.Durch eine solche Anordnung wird es möglich, Signale von verschiedenen Wellenlängen zu einer Zeit zu messen. D.h. in den entsprechenden Schichten wird Lichtenergie, die eine verschiedene Wellenlängencharakteristik aufweist, umgewandelt in molekulare Schwingungsenergie, die zu einer

Energiesignalanzeigeeinrichtung übertragen wird, aber zu der Zeit, zu der eine Phasenverzögerung in Erscheinung tritt, die ri&m Abstand von einer jeden Schicht zur Energiesignalanzeigeeinrichtung entspricht. Wenn so das Signal des gestreuten Lichtes durch eine schwingungsgleichlaufende Anzeige erzielt wird, so können die Signale von den entsprechenden Schichten voneinander getrennt werden, wenn die Anzeige für jede entsprechende Phasenverschiebung bewirkt wird.
Fig. 22 zeigt eine Ausführungsform , bei der die Erfindung angewandt wird bei einer Lichtstreuung durch einen monomolekülareη Film auf der Oberfläche einer Flüssigkeit. Nach Fig. 22 wird ein Licht 2 zugeführt und tritt unter einem solchen Winkel ein, daß es von unten in die Fläche der Flüssigkeit eintritt und total durch die Grenzfläche der Flüssigkeit reflektiert wird. Auf der total reflektierenden Grenzfläche wird die Lichtenergie übertragen als eine ausgelöschte Welle zu dem monomolekularen Film 39 auf die Fläche der Flüssigkeit und die lichtabsorbierende Substanz , wodurch ein zerstreutes Licht 3 erzeugt wird. Die Lichtstreuungscharakteristik durch den Monomolekularfilm 39 und die lichtabsorbierende Substanz kann aufgezeigt werden durch das Erfassen des gestreuten Lichtes auf der Grundlage einer jeden erwähnten Methode durch eine Energiesignalaufzeige einrichtung, die auf der Flache der Flüssigkeit angeordnet ist.

Fig. 23 zeigt eine Ausführungsform zum Auswerten der Lichtstreuungscharakteristik unter der Fläche einer Flüssigkeit in einer Einrichtung mit einem LB-Fiim (Langmuir-Blodgett). Der Zustand der monomolekular sich entwickelnden Flüssigkeit kann aufgezeigt werden durch Messung des gestreuten Lichtes durch einen Streuungsfaktor 40 in der Flüssigkeit, und die Steuerung der FiImausbildung wird ebenfalls möglich auf der Basis dieser Information. Die Information eines jeden Teils kann gestaltet werden durch Abblenden des Durchmessers des zugeführten Lichtstrahls, wie erforderlich, um den gegensei-

tigen Einfluß zwischen dem gestreuten Licht in dem zu prüfenden Objekt auszuschalten und zu bewirken, daß der zugeführte Lichtstrahl längs einer vorbestimmten Ebene in dem zu prüfenden Objekt abgetastet werden kann. Durch Bearbeitung der so erzielten elektrischen Signale und Abtastsignale mittels eines Computers und einer visuellen Darstellung durch ein Sichtanzeigegerät können mikroskopische Informationen darstellbar gemacht und erfaßt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, kann eine Lichtstreuung wie eine elastische Streuung und eine nichtelastische Streuung einschließlich der Lichtstreuungskomponenten eines großen Streuungswinkels,die bisher schwierig zu messen waren, mit einer hohen Empfindlichkeit und einer hohen Genauigkeit gemessen werden. Daher kann nicht nur die Veränderung eines Brechungsindex in dem zu untersuchenden Objekt und die Anwesenheit feiner Partikel darin aufgezeigt werden, sondern auch molekulare Strukturinformationen können erzielt werden, und ebenso kann die Erfindung auch angewandt werden bei einer Einrichtung, die einen Langmuir-Blodgett-Film ausbildet , und kann in beträchtlichem Ausmaß zur Analyse der Eigentümlichkeiten dieser Materialien beitragen.

BAD ORIGINAL

Claims

Canon Kabushiki Kaisha 30-2, 3-chome, Shimomaruko, Ohta-ku, Tokyo, Japan Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung von Lichtstreuung gekennzeichnet durch eine LichtZuführungseinrichtung zur Zuführung von intermittierendem Licht zu einem zu prüfenden Objekt, durch ein lichtempfindliches Medium zur Absorbierung von gestreutem Licht, das intermittierend von der Fläche des zu prüfenden Objekts ausgesandt wird aufgrund des zugeführten Lichts entsprechend den physikalischen Eigenschaften des zu prüfenden Objekts und zur Umwandlung des gestreuten Lichts in eine molekulare Schwingungsenergie, durch eine Energiesignalaufzeigeeinrichtung zum Erfassen eines pulsierenden Energiesignals, das in dem Medium erzeugt wird, und durch eine Molekularschwingungsmeßeinrichtung zum frequenzgleichlaufenden Aufzeigen des Energiesignals durch ein Bezugssignal von der lichtzuführenden Einrichtung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzuführungseinrichtung eine Lichtquelle und einen Unterbrecher umfaßt.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesignal eine Schallwelle ist und daß die EnergiesignalaufZeigeeinrichtung eine lichtakustische Aufzeigeeinrichtung ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtakustische Aufzeigeeinrichtung eine Mikrophonzelle ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß.das Energiesignal eine elastische Welle ist und daß die Energiesignalaufzeigeeinrichtung eine piezoelektrische Aufzeigeeinrichtung ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Aufzeigeeinrichtung ein piezoelektrisches Element ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesignal eine geleitete Wärmewelle ist und daß die Energiesignalaufzeigeeinrichtung eine Wärmeaufzeigeeinrichtung ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaufzeigeeinrichtung ein Thermoelement ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesignal eine Wärmestrahlungswelle ist und daß die Energiesignalaufzeigeeinrichtung eine Licht-Wärme-Ablenkungs-Aufzeigeeinrichtung ist zum Erfassen der optischen Ablenkung, die durch die Wärmestrahlungswelle verursacht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiesignal eine Wärme-Strahlungswelle ist und daß die Energiesignalaufzeigeeinrichtung eine Licht-Wärme-Strahlungs-Aufzeigeeinrichtung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Wärme-StrahlungsaufZeigeeinrichtung ein Infrarotstrahlungsdetektor ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere lichtabsorbierende Substanzen vorgesehen sind, die

ORIGINAL INSPECTED

unterschiedliche Spektralabsorptionscharakteristiken aufweisen und in Schichten übereinander das lichtempfindliche Medium bilden.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zwischen dem zu prüfenden Objekt und dem lichtempfindlichen Medium angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Polarisationsfilter ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein reflektierendes Objekt auf der lichtabsorbierenden Rückfläche des fotosensitiven Mediums vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtempfindliches Medium mit einer Vielschichtstruktur vorgesehen ist, daß die EnergiesignalaufZeigeeinrichtung die Phasen der Energiesignale aufzeigt, die zu den entsprechenden Schichten gehören,und daß die Molekularschwingungsmeßeinrichtung die verschiedenen Spektralcharakteristiken des gestreuten Lichtes in einer Zeit von der Phasenverschiebung dieser Energiesignale mißt.